تجربة جراحة الشبكة تُحرز تقدماً في الحوسبة الكمومية المقاومة للأخطاء

أظهر فريق من العلماء، بقيادة باحثين من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ، مؤخرًا طريقةً لربط البتات الكمومية عبر جراحة الشبكة. تُمكّن هذه العملية المهندسين من صنع حواسيب كمومية أكثر قوة، مما يُوسّع القدرات المذهلة لهذه الأجهزة ويفتح المجال أمام استخدامها مستقبلًا. إليكم ما تحتاجون معرفته.

ما الذي يجعل الحواسيب الكمومية مختلفة بشكل جوهري؟

ينظر الكثيرون إلى الحواسيب الكمومية على أنها الخطوة التالية في تطور من أجهزة الكمبيوتر. يمكن لهذه الأجهزة أن توفر قوة حسابية أكبر بآلاف المرات، مما يجعلها مثالية لإجراء الحسابات العلمية المعقدة وغيرها.

أثبتت الحواسيب الكمومية أنها أقوى بكثير من الحواسيب التقليدية. فهي تتفوق عليها لأنها تعتمد على الكيوبتات، والتراكب، والتشابك، والتداخل لمعالجة المعلومات. يُمكّن هذا الهيكل من معالجة ملايين العمليات الحسابية بالتوازي.

لماذا يُعد تصحيح الأخطاء الكمومية عنق الزجاجة الأساسي

ومع ذلك ، عندما يتعلق الأمر تخزين البيانات الكمومية أكثر تعقيداً بكثير من البتات التقليدية، التي يمكن نسخها وتخزينها. عند استرجاعها، يمكن التحقق من النسخ المكررة للتأكد من عدم تلف البيانات.

يُعدّ تصحيح الأخطاء الكمومية أكثر تعقيدًا لعدة أسباب. أولًا، لا يمكن نسخ الكيوبتات الكمومية بنفس طريقة نسخ البتات التقليدية، بل تعتمد على حالات التشابك التي تنشأ بينها. هذه الحالة الهشة قابلة للتدمير بسهولة.

انعكاسات البتات وانعكاسات الطور

كما أن الحواسيب الكمومية تواجه تحدياتٍ تتعلق بفقدان الترابط وانزياحات الطور. وتتميز هذه الحواسيب بقدرة الكيوبتات على تغيير طورها فجأةً ودون سابق إنذار من موجب إلى سالب. وقد صعّبت هذه المشكلة تخزين البيانات الكمومية لفترات طويلة.

كيف يحل المهندسون هذه المشكلة

هناك عدة طرق سعى المهندسون من خلالها إلى تصحيح هذه الانزياحات الكمومية. إحدى الطرق الشائعة هي إنشاء كيوبت منطقي من عدة كيوبتات أخرى. وبمجرد إنشائه، يقوم المهندسون بتطبيق تصحيح الأخطاء باستمرار لضمان الدقة.

تتطلب هذه العملية من العلماء قياس حالة المثبتات المصممة خصيصًا لهذا الغرض باستمرار. تُمكّن هذه المثبتات المهندسين من رصد أي تغييرات في الكيوبت دون تغيير قيمته، وذلك من خلال توفير قراءات قابلة للتتبع للبتات والأطوار.

تُنتج هذه العملية كيوبتات بيانات. وتُستخدم هذه الكيوبتات لتخزين حالة التصحيح. وتنشأ المشاكل لأن معظم الحواسيب الكمومية تعتمد على مصفوفات ثنائية الأبعاد من الكيوبتات فائقة التوصيل.

تبقى هذه الكيوبتات ثابتة في مكانها ولا يمكن تحريكها دون الإضرار بالحالة الكمومية. تساعد المثبتات في الحفاظ على الاستقرار. مع ذلك، لا تعمل هذه المثبتات إلا على الكيوبتات المتجاورة، مما يعني أنها مثالية لتطبيقات الكيوبتات ثنائية الأبعاد فقط، وتطبيقاتها محدودة للغاية.

دراسة جراحة الشبكة على البتات الكمومية

سعياً لتحسين قدرات الحوسبة الكمومية، نشر علماء من المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ ومعهد بول شيرر بحثاً بعنوان "جراحة الشبكة التي تم تنفيذها على رمزين للتكرار بمسافة ثلاثة باستخدام كيوبتات فائقة التوصيلدراسة ¹” في مجلة Nature Physics.

تقدم هذه الورقة البحثية منهجية جديدة للتشابك الكمومي والمثبتات. يُمكّن هذا النهج الجديد الحواسيب الكمومية من إجراء عمليات كمومية بين الكيوبتات المنطقية فائقة التوصيل مع إجراء تصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي.

ما هي جراحة الشبكة في الحوسبة الكمومية؟

يكمن جوهر هذا التطور الجديد في جراحة الشبكة. تقوم جراحة الشبكة بربط الرموز الطوبولوجية عبر الكيوبتات المنطقية. يدعم هذا النهج ترتيبات الكيوبتات ثنائية الأبعاد إلى جانب عمليات البوابات المقاومة للأخطاء.

باستخدام تقنية جراحة الشبكة، تمكن المهندسون من تطبيق البوابات المنطقية بين الكيوبتات المشفرة حتى وإن لم تكن متجاورة. تتجنب هذه الاستراتيجية التلامس المباشر بين الكيوبتات، مما يقلل من الأخطاء الناتجة عن فقدان الترابط الكمومي.

تعتمد جراحة الشبكة على استخدام الرقع، وهي عبارة عن كيوبتات مزودة بمثبتات. تعمل هذه العملية على ربط هذه البوابات معًا مؤقتًا، مما يتيح إجراء فحوصات التكافؤ ومساحة ترميز أكبر للمعالجة. والجدير بالذكر أن هذا العمل يمثل أحد أوائل العروض التجريبية لجراحة الشبكة التي تُجرى بين كيوبتات منطقية مشفرة باستخدام أجهزة ترميز سطحية فائقة التوصيل، مع الحفاظ على تصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي أثناء العملية.

كيف تم إجراء تجربة الجراحة الشبكية

أجرى المهندسون عدة اختبارات للتأكد من صحة حساباتهم. في البداية، ابتكر الفريق جهازًا كميًا. وتألفت البوابة المنطقية من 17 كيوبت فائق التوصيل مرتبة بشكل مربع تقريبًا.

بعد تشابك اثنين، يركز المهندسون على عمليات الفصل. وللقيام بذلك، قاموا بتشفير الكيوبتات المنطقية بتكرارات قلب البتات. ثم راقبوا نتائج المثبتات كل 1.66 ميكروثانية مع إجراء تصحيحات قلب البتات وقلب الطور.

تقسم هذه الطريقة مربع رمز السطح إلى نصفين، مما يسهل تتبعه واختباره. وقد أثبتت نتائج الاختبار صحة نظرياتهم.

جراحة الشبكة على البتات الكمومية – نتائج الاختبار

لاحظ المهندسون تصحيح أخطاء قلب البتات في الوقت الفعلي. وسجلوا تحسناً ملحوظاً مقارنةً بالدوائر غير المشفرة التي خضعت لنفس العملية، وكانت النتيجة أن المهندسين نجحوا في إنشاء كيوبتين منطقيين متشابكين.

فوائد جراحة الشبكة على البتات الكمومية

تُقدّم هذه الدراسة فوائد جمّة للسوق، فهي تُمهّد الطريق أمام تطوير حواسيب كمومية أكثر قوة ودقة. كما أن القدرة على تقليل الأخطاء وتضمينها في هذه الأجهزة ستُمكّن الإصدارات المستقبلية من توفير أداء واستقرار أفضل.

جراحة الشبكة على البتات الكمومية: تطبيقات عملية وجدول زمني

لهذا العمل تطبيقات عديدة. في المقام الأول، سيساهم هذا البحث في توسيع وتطوير قطاع الحوسبة الكمومية الناشئ. فهو يوفر مستوى جديدًا من الاستقرار لهذه الأجهزة، مما يسمح للمهندسين بإنشاء وحدات أكثر قوة تعتمد على عدد أكبر من الكيوبتات لتشغيل العمليات.

جراحة الشبكة على الجدول الزمني للبتات الكمومية

بحسب المهندسين، لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به قبل أن تصبح هذه التقنية جاهزة للتطبيق على أجهزة الكم المتقدمة الحالية. ومع ذلك، يُتوقع أن تُطبّق هذه التقنية في هذا القطاع خلال السنوات السبع إلى العشر القادمة، بالتزامن مع زيادة استخدام الحواسيب الكمومية.

جراحة الشبكة على البتات الكمومية: باحثون

شارك باحثون من عدة مؤسسات مرموقة في هذه الدراسة. وعلى وجه التحديد، قاد البروفيسور أندرياس والراف، الحاصل على درجة الدكتوراه في الفيزياء، ورقة البحث، بينما شارك البروفيسور ماركوس مولر من جامعة RWTH آخن ومركز يوليش للأبحاث في تأليف العمل.

كما تسرد الورقة البحثية أسماء إيليا بيسيدين، ومايكل كيرشباوم، وجوناثان نول، وإيان هيسنر، ولوكاس بوديكر، ولويس كولميناريز، ولوكا هوفيل، وناثان لاكروا، وكريستوف هيلينغز، وفرانسوا سويادك، وألكسندر فلاسبي، ومحسن بهرامي بناه، ودانتي كولاو زانوز كمساهمين.

جراحة الشبكة على مستقبل البتات الكمومية

مستقبل هذه التقنية واعد. والهدف هو دمجها مع الإنجازات الحديثة الأخرى لمساعدة المهندسين على تحقيق هدفهم العام المتمثل في بناء حواسيب كمومية مفيدة تعتمد على آلاف الكيوبتات بدلاً من عشرات منها.

الاستثمار في الابتكار الكمي

يهيمن على قطاع الحوسبة الكمومية عدد من شركات الأبحاث التي استثمرت ملايين الدولارات في هذه التقنية. وتواصل هذه الشركات التعمق في هذه التقنية بروح ابتكارية، مما يساعد على اكتشاف أساليب كانت تُعتبر مستحيلة في السابق. إليكم إحدى الشركات التي ساهمت في تعزيز التطورات المستقبلية واعتماد هذه التقنية.

ريجيتي الحوسبة

تأسست شركة ريجيتي للحوسبة عام 2013 على يد تشاد ريجيتي بهدف محدد هو بناء أقوى الحواسيب الكمومية في العالم باستخدام تقنية الكيوبتات فائقة التوصيل. وعلى عكس شركة IonQ التي تستخدم الأيونات المحصورة، فإن تركيز ريجيتي على الدوائر فائقة التوصيل يتماشى بشكل أوثق مع أبحاث المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ (ETH Zurich) التي تتناول جراحة الشبكة على الكيوبتات المنطقية فائقة التوصيل.

في عام 2018، عرضت شركة ريغيتي شريحةً تضم 128 كيوبت، ومنذ ذلك الحين، رائدةً في تطوير الحوسبة الكمومية المتكاملة. ويشمل ذلك منشأة فاب-1، أول مصنع متخصص في العالم للحوسبة الكمومية، حيث تصمم الشركة وتصنع معالجاتها الكمومية الخاصة.

حققت شركة ريغيتي تقدماً ملحوظاً في مجال الحوسبة الهجينة الكمومية والكلاسيكية. إذ تدمج منصة خدمات الحوسبة السحابية الكمومية (QCS) التابعة لها معالجات كمومية مع بنية تحتية كلاسيكية عالية الأداء، وهو أمر ضروري لتصحيح الأخطاء في الوقت الفعلي الذي تتناوله الأبحاث الحالية. وفي عام 2021، طرحت ريغيتي أسهمها للاكتتاب العام من خلال اندماجها مع شركة سوبرنوفا بارتنرز للاستحواذ II، وأُدرجت في بورصة ناسداك.

تُطوّر شركة ريغيتي اليوم بنشاط أنظمة أنكا، التي تستخدم شبكة مربعة من الموصلات القابلة للضبط. صُممت هذه البنية خصيصًا لدعم نوع العمليات المقاومة للأخطاء وتشفير الكيوبت المنطقي الذي تم عرضه في أحدث دراسة أجرتها جامعة ETH زيورخ.

آخر أخبار وأداء Rigetti Computing (RGTI).

جراحة الشبكة على البتات الكمومية | الخلاصة

تعد الحواسيب الكمومية بقدرات حسابية لا مثيل لها، لكن هشاشتها جعلتها باهظة الثمن بحيث يتعذر على معظم الناس استخدامها أو امتلاكها. سيساهم هذا العمل الأخير في استقرار هذه الأجهزة، مما يقرب العالم خطوةً نحو خيار ميسور التكلفة وموثوق. لهذا السبب، ولأسباب أخرى، يستحق هؤلاء المهندسون كل التقدير والثناء.

تعرف على المزيد من الإنجازات في مجال الحوسبة الكمومية اضغط هنا.

مراجع حسابات

^{1. بيسيدين، آي.، كيرشباوم، إم.، نول، ج.، هيسنر، آي.، بوديكر، إل.، كولميناريز، إل.، هوفيل، إل.، لاكروا، إن.، هيلينغز، سي.، سويادك، إف.، فلاسبي، إيه.، بهرامي بناه، إم.، كولاو زانوز، دي.، مولر، إم.، ووالراف، إيه. (2026). جراحة الشبكة المُنفذة على رمزين للتكرار بمسافة ثلاثة باستخدام كيوبتات فائقة التوصيل. فيزياء الطبيعة، 1-6. https://doi.org/10.1038/s41567-025-03090-6}